快速成型技術(shù)改變世界的利器

想不受限制快速地制作任何形狀的物件嗎,？ 只要輕輕點(diǎn)一下“打印”按鈕，車床,、銑床,、刨床、加工中心,、經(jīng)驗(yàn)豐富的工人以及小心翼翼的切割,、打磨,、焊接……這些我們熟悉的傳統(tǒng)制造場景,，可能都被小小鼠標(biāo)取代。 這是一項(xiàng)什么樣的技術(shù),？“一項(xiàng)將要改變世界的技術(shù),。”剛剛出版的英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志以封面文章的形式報(bào)道了它———三維打印技術(shù),。

封面上是一把“打印”出來的小提琴,。 文章說，正像人們無法在１８世紀(jì)５０年代預(yù)見蒸汽機(jī)的影響,，無法在１５世紀(jì)５０年代看到活字印刷的未來,，無法在上世紀(jì)５０年代料到晶體管的沖擊；人們目前還很難充分估計(jì)三維打印技術(shù)改變世界的力量,。 三維打印不是“紙上談兵”,，其原理是使用類似噴墨打印機(jī)的噴頭，將材料根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一點(diǎn)一點(diǎn)噴射出來，直接堆積成各種立體零件,。該技術(shù)是快速成型方法的一種,。 把材料累加建造房屋是我們 司空見慣的工程。房屋是一磚一瓦堆砌出來的,，任何形狀的房屋都可以用這種方法構(gòu)建出來,。這種原理形成了材料累加的制造方法，就是使用材料逐層累加制造三維物體,。 上世紀(jì)８０年代后期開始,，隨著計(jì)算機(jī)、激光和新材料技術(shù)的發(fā)展,，材料累加制造原理在機(jī)械制造領(lǐng)域迅速應(yīng)用開來,。“快速原型制造”,、“累加制造”,、“實(shí)體自由制造”……各異的叫法分別從不同側(cè)面表達(dá)了這種制造方法的特點(diǎn)，其中使用較多是“快速成型制造”,。

這一技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具,、機(jī)床、夾具,，可快速而精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件模型,，從而實(shí)現(xiàn)“自由制造”。而且可以打造許多過去無法一次完成的模型,，例如中空結(jié)構(gòu)等,，大大減少了加工工序，縮短了加工周期,。 這給工業(yè)產(chǎn)品的造型開發(fā),、工藝品的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)提供了最為便捷的制造工具，使產(chǎn)品開發(fā)速度數(shù) 十倍地提高,。而且結(jié)構(gòu)越是復(fù)雜的物體,，其提速作用越顯著。 材料累加成型的原理與不同的加工工藝和材料結(jié)合,，形成了許多制造設(shè)備,。目前已有的設(shè)備技術(shù)種類達(dá)到２０多種，其中主要有光固化快速成型技術(shù),、選取激光燒結(jié)技術(shù),、三維打印技術(shù)等。

其中,，三維打印技術(shù)是１９９６年以來發(fā)展最快的快速成型技術(shù),，其特點(diǎn)是成本低,，可以制作出帶有色彩的三維物體，但是制作精度較低,。 在產(chǎn)品創(chuàng)新中大顯身手快速成型技術(shù)一出現(xiàn)就取得了迅猛發(fā)展,，在消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車,、航空航天,、醫(yī)療、軍工,、地理信息,、藝術(shù)設(shè)計(jì)等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。單件快速制造,，可以應(yīng)用于產(chǎn)品的研發(fā)階段或單件小批量制造———這一特點(diǎn)決定了快速成型在產(chǎn)品創(chuàng)新中具有顯著作用,。 可以說越是創(chuàng)新快的地區(qū)，對快速成型的需求越強(qiáng)烈,�,？焖俪尚褪袌鲋校�美國和歐洲占據(jù)了７０％多的裝機(jī)量,，
它們的許多產(chǎn)品都是在快速成型技術(shù)幫助下開發(fā)出來的,。

美國的一家血壓監(jiān)測儀器生產(chǎn)商，使用三維立體打印機(jī)的概念模型,，很快開發(fā)出了新產(chǎn)品,。工程師認(rèn)為：“使用概念模型可以使我們比以前更快地捕捉設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，并且在相同時(shí)間內(nèi)以一個(gè)更好的產(chǎn)品結(jié)束,�,！� 一家公司為谷歌ＳｋｅｔｃｈＵｐ軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)插件，允許使用者從一個(gè)建筑物概念設(shè)計(jì)連接到三維打印機(jī)輸出,，直接產(chǎn)生一個(gè)基本尺度的建筑模型,。 快速成型還可以與金屬鑄件結(jié)合，并且延伸到許多工業(yè)領(lǐng)域,。比如,，這一技術(shù)使首飾行業(yè)發(fā)生了巨大的變化,。三維立體打印技術(shù)可以快速制造出極其精細(xì),、精確的珠寶樣式，這是傳統(tǒng)的手工加工技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的,。有的珠寶商已經(jīng)用該技術(shù)訂制金飾,。又如，美國利用快速成型技術(shù)制作無人機(jī)的風(fēng)洞模型,，使得無人機(jī)研發(fā)速度大幅提高,。 快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用則是一個(gè)嶄新的方向。

該技術(shù)可以制造手術(shù)方案所需的模型。例如,，在加州大學(xué)洛杉磯分校,，醫(yī)生曾遇到如何安全地給連體嬰兒做分離手術(shù)的問題。這對雙胞胎出生時(shí)頭部相連,，雖然大腦,、動(dòng)脈是分開的，但頭部的靜脈血管卻相互交織,，手術(shù)時(shí)需要將其分離,。通過快速成型機(jī)，醫(yī)生們制造出嬰兒頭部動(dòng)靜脈血管的模型,，從而提前制定出詳細(xì)的手術(shù)計(jì)劃,。醫(yī)生亨利說：“現(xiàn)在不需要?jiǎng)e人幫助，我們就可以把以前需要９７個(gè)小時(shí)的手術(shù)減少到２２個(gè)小時(shí),�,！� 目前還有工程師與醫(yī)生合作，使用快速成型技術(shù)給患者定制骨 骼替代物,，幫助患者修復(fù)缺失的骨骼,。新的研究方向甚至用三維打印機(jī)直接把細(xì)胞堆積出來，經(jīng)過體外培養(yǎng)去制造復(fù)雜的器官,。 也許有一天,，我們也能夠像今天配中藥一樣，給自己定制器官,。 改變?nèi)祟愇磥砩�活方式快速成型技術(shù)雖然有美好的發(fā)展前景,，卻也面臨巨大挑戰(zhàn)。

目前最大的難題是材料的物理與化學(xué)性能制約了工藝的實(shí)現(xiàn),。在成型材料上,，目前主要是有機(jī)高分子材料，比如光固化樹脂,、尼龍,、蠟等。金屬材料直接成型是近十多年的研究熱點(diǎn),，正在逐漸轉(zhuǎn)向工業(yè)應(yīng)用,，但難點(diǎn)在于如何提高精度。 由于市場需求的變化,，快速成型技術(shù)發(fā)展趨勢表現(xiàn)在３個(gè)方面,。 首先是快速成型制造技術(shù)本身的發(fā)展趨勢。三維打印技術(shù)是國外近年來的發(fā)展熱點(diǎn),，有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)價(jià)值,。而金屬直接成型技術(shù)使得金屬結(jié)構(gòu)零件可以直接制造,，不久就可以在工業(yè)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。 快速成型技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展方向是陶瓷零件和復(fù)合材料的快速成型,。 以三維打印為代表的低成本快速成型技術(shù)會(huì)使制造產(chǎn)品越來越容易,，也許有一天制造一件物品就像我們現(xiàn)在使用打印機(jī)一樣方便，自己在家里就可以設(shè)計(jì)制造戒指,、 耳環(huán),，甚至假牙等，這將大大改變我們的生活方式,，使得想象力得以實(shí)現(xiàn),，激發(fā)人們的創(chuàng)造力。

在快速成型技術(shù)發(fā)展的同時(shí),，也會(huì)使仿制越來越容易,，難免會(huì)產(chǎn)生知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛。但如果制造技術(shù)非常容易,，簡單的仿制就沒有更多市場,，人們會(huì)更加樂于進(jìn)行改進(jìn)，以求得自己的個(gè)性化,，這樣就會(huì)使產(chǎn)品更加豐富多彩,，每個(gè)人都會(huì)成為創(chuàng)造的主體。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，快速成型設(shè)備的成本越來越低,，２０年內(nèi)這一理想是有可能實(shí)現(xiàn)的。 我們再來看快速成型應(yīng)用領(lǐng)域的拓展趨勢,�,？焖俪尚涂梢詾槠�車新品開發(fā)提供快捷的支撐技術(shù),，為人工定制化假體制造,、 三維組織支架制造提供有效的技術(shù)手段�,？焖俪尚瓦�在向著創(chuàng)意設(shè)計(jì),、建筑模型制造,、 地理模型制造、航空航天器件制造等領(lǐng)域發(fā)展,，為各行各業(yè)提供簡單快捷的工具,。

在學(xué)術(shù)思想的發(fā)展趨勢方面，快速成型正從過去的外形制造向材料組織結(jié)構(gòu)與外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造一體化方向發(fā)展,。研發(fā)人員正力圖實(shí)現(xiàn)從微觀組織到宏觀結(jié)構(gòu)的可控制造,。例如利用細(xì)胞打印技術(shù)制造器官，三維打印機(jī)可以根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),，在各位置用所需材料堆積出血管,、肌肉組織等微結(jié)構(gòu)（微觀結(jié)構(gòu)制造），這些微結(jié)構(gòu)堆積起來形成了大尺寸的器官（宏觀結(jié)構(gòu)制造）,。這一發(fā)展方向?qū)⒔o制造技術(shù)帶來革命性變革,。 應(yīng)該說，與產(chǎn)品創(chuàng)新結(jié)合是快速成型技術(shù)發(fā)展的根本方向,，也是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型國家的利器,。人們通過新制造技術(shù)和設(shè)備的更新，逐步從理想王國向自由王國挺進(jìn),。

作者：李滌塵